地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析的三維強度折減法研究及工程應用.pdf

1、隨著科學技術的進步和建設事業(yè)的發(fā)展，大型工業(yè)企業(yè)和市政設施的地下工程系統(tǒng)日益增多，在水利電力、交通運輸、礦山開采以及軍事工程中修建了大量的、規(guī)模巨大的地下洞室。因此，地下洞室圍巖的穩(wěn)定性研究便成為巖土力學理論界和工程界所關注的焦點。時至今日，國內外學者對地下洞室圍巖的破壞形態(tài)和機理已經有很深入的研究，但是由于自然界巖體結構的復雜性和多樣性，使得人們對地下洞室圍巖穩(wěn)定的認識遇到了很大的障礙。因此，對地下洞室圍巖穩(wěn)定性評估和對圍巖的破壞形態(tài)

2、、破壞機理的深入研究具有重要的理論意義和工程意義。 傳統(tǒng)的地下洞室及其它巖土工程的設計、開挖和施工大多是根據經驗來進行的。當開挖活動在埋藏深度不大或小規(guī)模范圍內進行的時候，經驗類比的方法往往是有效的，但隨著開挖規(guī)模的不斷擴大，特別是大型地下礦山、大型地下廠房、大斷面地下隧道的地下洞室的出現(xiàn)，經驗類比法己越來越不能滿足需要。而理論解析的方法只能適用于那些邊界條件較為簡單及介質特性不甚復雜的問題。 20世紀50年代以來，隨著

3、計算機的應用和有限元、邊界元、離散元等各種數值分析方法的不斷發(fā)展，使得對大型地下洞室圍巖穩(wěn)定分析設計可以采用數值方法求解。其中，有限元法作為一種廣泛使用的數值方法，其計算的準確性和精確度不容質疑?；趶姸日蹨p原理的有限元數值分析方法在邊坡穩(wěn)定性分析的研究有很大的進展，國內外許多專家總結出很多頗具價值的強度折減法的實際應用經驗，為巖土工程問題研究開辟了新的路徑。有限元強度折減法有許多相比其他方法獨特的優(yōu)點，其中最重要的則是該方法可自動獲得

4、破壞滑動面。隨著計算機技術的快速發(fā)展，可計算的有限元單元數越來越多，很多試驗室問題或者大型巖土工程問題都可通過數值模擬得到更加準確詳細的分析，應用到實際工程的機會也會越來越多。因此，充分合理地發(fā)展和利用有限元數值分析方法，對更好地研究、設計、維護和加固巖土工程，有非常重要的意義。 本文在三維巖石破裂過程分析(RFPA3D)方法基礎上引入強度折減技術，建立RFPA三維巖土工程穩(wěn)定性強度折減分析方法，并且將該方法應用范圍擴展到研究地

5、下洞室圍巖穩(wěn)定性分析。RFPA三維強度折減法以有限元方法作為應力分析工具，不僅滿足靜力平衡、應變相容，且充分考慮材料的細觀非均勻特性，并秉承RFPA方法的破壞過程分析優(yōu)勢，能夠反映巖土結構隨強度劣化而呈現(xiàn)出漸進破壞誘致失穩(wěn)的演化過程。RFPA三維強度折減法能夠適應復雜的地質地貌的地下洞室穩(wěn)定性分析；同時以單元的破壞次數統(tǒng)計作為洞室的失穩(wěn)判據，不僅可直觀地得到圍巖的滑移破壞面，還可求得安全系數，為地下洞室的穩(wěn)定性研究提供一種新的便捷、有效

6、方法。特別是RFPA三維強度折減法的穩(wěn)定性分析結果對于理解地下洞室的破壞形成機制具有重要意義，更有利于從洞室圍巖失穩(wěn)的源頭入手指導地下洞室防護設計。從分析與觀察的情況看，地下洞室的失穩(wěn)既可能是由于剪切破壞，也可能是由于張拉破壞引起，因而地下洞室穩(wěn)定安全系數也相應有受剪破壞的安全系數與受拉破壞的安全系數，以及拉剪綜合安全系數。不管哪一種破壞的安全系數，又可以分為兩種情況：一種是引起地下洞室圍巖整體失穩(wěn)破壞所計算的安全系數稱為整體安全系數；

7、另外一種是引起洞室圍巖局部失穩(wěn)破壞，一般發(fā)生在洞室周圍以及其它節(jié)理裂隙等薄弱巖體中，其相應的安全系數稱為局部安全系數。RFPA三維強度折減法通過調整其參數既可以模擬計算出受剪破壞安全系數，又可以計算出受拉破壞安全系數，以及既有剪破壞又有拉破壞的真實環(huán)境下的拉剪綜合安全系數。 本文首先研究了地下洞室圍巖的破壞機理，透徹的分析了影響洞室穩(wěn)定性的各種因素，定義出洞室圍巖失穩(wěn)破壞的幾種形式，總結出洞室圍巖穩(wěn)定的力學分析方法。 其

8、次，本文論述了RFPA三維強度折減法對失穩(wěn)破壞的判斷方法，以及討論了不同的失穩(wěn)準則、屈服準則，并且提出了新的失穩(wěn)評判方法，同時比較了RFPA三維強度折減法同傳統(tǒng)的極限分析方法的精度差異，詳細的討論了不同的物理力學參數對計算精度的影響。針對地下洞室結構特點，提出洞室的局部安全系數和整體安全系數概念，并分析兩者的相互關系。 最后，通過對八字嶺隧道工程應用的實例詳細分析以及其他工程的研究總結，提出了地下洞室圍巖穩(wěn)定性分析及安全性評價的